Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 180
Скачиваний: 1
§ 8.7. Аустенитные нерок, хромоникелевые стали |
283 |
0,25 мм!год при температуре 600—700° и зависит в основном от содержания кислорода в натрии, резко повышаясь при содер жании кислорода более 0,005%*. В этом случае на поверхности стали образуются продукты коррозии в виде сложных окислов железа и натрия, которые могут также растворяться в потоке и •осаждаться затем на холодных участках контура. При темпе-
Рис. 8.13. Изменение механических свойств стали Сг— Ni — Mo под облучением.
ратуре более 700° можно применять жаропрочные и жаростой кие металлы и их сплавы, например, на основе никеля (60— 75% Ni, 16—20% Сг, до 5% Мо, 1—2,5% Ті, до 10% W). Улуч шения коррозионной стойкости жаропрочных сталей можно достигнуть добавкой до 30% А1.
При высокой температуре натрия (более 800°) целесооб разнее применять тугоплавкие металлы Та, Mo, Nb, W и их сплавы. Присутствие в жидком металле кислорода и азота снижает коррозионную стойкость тугоплавких металлов.
Коррозионная стойкость аустенитных сталей в эвтектике Па — К ниже, чем в натрии, и понижается с увеличением содер жания калия в смеси. В литии скорость коррозии значительна, кроме того, не рекомендуется сочетать с ним стали с высоким •содержанием никеля, так как никель хорошо выщелачивается. На увеличение скорости коррозии в литии существенным обра зом влияют примеси, в первую очередь азот и кислород. Хромо никелевые стали с литиевым теплоносителем можно применять до 500—600°, при более высокой температуре (700—800°) пред почтение следует отдать ферритным нержавеющим сталям (например, 0X13, 1X13, 1Х12М2БФ и др.), не содержащим никель. Изменения температуры вызывают те или иные терми ческие напряжения в конструкционном материале, зависящие от скорости изменения температуры. Величина термических на пряжений зависит от физических и механических свойств мате
284 |
Г л . 8. Материалы активной зоны |
риала. |
В аустенитных нержавеющих сталях с относительно- |
низкой теплопроводностью термические напряжения могут быть
значительны и могут привести к разрушению стали. |
|
|
|
|||||||
Конструкционные |
материалы |
активной зоны |
подвергаются |
|||||||
облучению |
нейтронами, у-квантами и |
электронами. |
|
|
из |
|||||
|
|
|
|
Облучение |
|
приводит к |
||||
|
|
|
|
менению механических свойств; |
||||||
|
|
|
|
материалов: |
возрастают |
пре |
||||
|
|
|
|
дел текучести и предел проч |
||||||
|
|
|
|
ности (в меньшей степени), а |
||||||
|
|
|
|
относительное удлинение и от |
||||||
|
|
|
|
носительное сужение уменьша |
||||||
|
|
|
|
ются. Таким |
образом, облуче |
|||||
|
|
|
|
ние |
вызывает |
радиационное |
||||
|
|
|
|
охрупчивание металлов и спла |
||||||
|
|
|
|
вов. Это охрупчивание в соче |
||||||
|
|
|
|
тании с термическими и дру |
||||||
|
|
|
|
гими |
напряжениями, |
вибраци |
||||
|
|
|
|
ями, |
термическими |
циклами и |
||||
|
|
|
|
коррозионным |
воздействием |
|||||
|
|
|
|
теплоносителя |
может привести |
|||||
Рис. 8.14. Механические свойства не- |
к разрушению |
оболочек |
твэ- |
|||||||
облученного |
(/—3) |
и |
облученного |
лов. Низкотемпературное |
об |
|||||
интегральным |
потоком |
(1-4-3) X |
лучение сталей типа |
18/8 в ин |
||||||
ХЮ20 нейтрон/см2 |
при |
150—200° С |
тегральном |
потоке |
до |
4Х |
||||
(1*—3*) жаропрочного никелевого |
Х ІО 22 нейтрон/см2 |
вызывает |
||||||||
сплава ХН77ТЮР (20% Сг, 2,5% Ті, |
||||||||||
0,8% Al, остальное никель) в зави |
повышение прочности и сниже |
|||||||||
симости от температуры испытания: |
ние |
пластичности |
(рис. 8.13). |
|||||||
1.1* — ств ; 2.2* — сг0 о; 3.3* — б . |
С увеличением температуры |
|||||||||
|
|
|
|
облучения выше 500° механи |
ческие свойства значительно ухудшаются. Высокотемпературное охрупчивание свойственно не только нержавеющим аустенитным сплавам — сталям, но и сплавам на никелевой основе. На рис. 8.14 приведено изменение механических свойств жаропроч ного сплава ХН77ТЮР, облученного при температуре 150— 200° и испытанного при температуре до 800°. При температуре выше 600° идет быстрое падение относительного удлинения и предела прочности. Образование интерметаллических фаз, а также накопление гелия в результате некоторых ядерных реак ций способствуют охрупчиванию стали и резкому снижению ее пластичности.
Глава 9
МАТЕРИАЛЫ КОРПУСА РЕАКТОРА И ДРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ |
|
ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ |
I |
УСТАНОВОК |
|
§ 9. 1
Перлитные стали
Состав и структура. При проектировании и строительстве первых энергетических реакторов в качестве основного кон струкционного материала использовали аустенитную хромо никелевую нержавеющую сталь. Объяснялось это ее высокой коррозионной стойкостью, сводящей к минимуму загрязнение продуктами коррозии воды первого контура. По мере накопле ния опыта реакторостроения выяснилось, что в ряде случаев аустенитная хромоникелевая нержавеющая сталь не является оптимальным материалом для изготовления некоторых узлов первого контура. В частности, прочность аустенитной хромони келевой нержавеющей стали недостаточна для изготовления из нее корпуса реактора.
Аустенитная хромоникелевая нержавеющая сталь стойкая, вообще говоря, к коррозии, подвержена таким видам разруше ния, как коррозионное растрескивание и межкристаллитная коррозия. Никель, которым легируют нержавеющую сталь, всегда содержит примеси кобальта. В связи с этим кобальт можно обнаружить, хотя и в незначительных количествах, в продуктах коррозии нержавеющих аустенитных хромоникеле вых сталей, переходящих в воду первого контура. Этих незна чительных количеств кобальта оказывается достаточно для серьезного ухудшения радиационной обстановки. Через месяц, после остановки основной вклад в активность оборудования первого контура вносят радиоактивные изотопы кобальта.
Следует также заметить, что стоимость аустенитных хромоникелевых нержавеющих сталей высока, что существенно отра жается на стоимости электроэнергии, вырабатываемой на атом ных электростанциях. Замена нержавеющих сталей на стали перлитного класса существенно снижает стоимость атомных электростанций. Продукты коррозии перлитных сталей не со держат кобальт. Следует также отметить, что большинство перлитных сталей технологичны, освоены промышленностью. В случае применения перлитных сталей в ядерную энергетику может быть перенесен опыт, накопленный обычной энергетикой, в которой перлитные стали нашли широкое применение. Корро зионная стойкость перлитных сталей ниже, чем стойкость не
286 Г л . 9. Материалы ядерны х установок
ржавеющих сталей. В случае применения перлитных сталей в первом контуре атомных энергетических установок необходимо принимать меры к увеличению их стойкости, в частности, с ломощью поддержания соответствующего водного режима, защитных покрытий и т. д.
Для изготовления корпусов реакторов с водным теплоноси телем используют углеродистые стали, легированные для повы шения механических характеристик Cr, Mo, V, Мп. Стали эти относятся к перлитному классу. Они хорошо прокатываются при толщинах, в зависимости от марки, до 600 мм. При этом меха нические свойства получаются одинаковыми как в центре, так л на периферии заготовок. Обычно корпус реактора сваривают из обечаек и днища. Обечайки, днище и крышка изготавливают методом штамповки и ковки.
В процессе сварки корпуса в пришовной зоне может прои зойти местная закалка низколегированной стали. Последнее обстоятельство обусловливает появление местных напряжений. Для снятия их приходится термически обрабатывать сваренный корпус. Аналогичное явление может происходить при вварке в
корпус реактора и барабана сепаратора фланцев, трубопрово дов и т. д. В местах вварки возникают значительные местные остаточные напряжения. Суммарные — рабочие плюс остаточ ные— напряжения могут вызвать разрушение металла в резуль тате образования трещин. Особенно это опасно для изделий из высокопрочных сталей типа І6ГНМ, у которых предел теку чести близок к пределу прочности. В этом случае напряжения, превышающие предел текучести, вызовут хрупкий излом. Такое явление называют малоцикловой термической усталостью. Низ кое качество металла — наличие в стали неметаллических вклю чений и т. д. — увеличивает опасность возникновения трещин в зоне сварки.
В реакторе с водным теплоносителем корпус и крышку, изготовленные из перлитной стали, для уменьшения загрязне ния воды первого контура продуктами коррозии и предотвра щения наводороживания корпуса покрывают нержавеющей сталью. Покрытие это может быть осуществлено методом наплавки. В других случаях в корпус реактора запрессовывают цилиндр., изготовленный из листа, плакированного нержавею щей сталью. В последнее время при соблюдении соответствую щего водного режима применяют корпуса из перлитной стали без плакировки нержавеющей сталью. Состав ряда сталей пер литного класса приведен в табл. 9.1.
Стали, состав которых приведен в табл. 9.1, содержат менее 0,42% С. Согласно диаграмме состояния Fe — С (рис. 9.1) ста ли, содержащие менее 0,8% С, являются доэвтектоидными. При снижении температуры ниже линии GS начинается превра-
сп
то
EJ
К
40
С О
Н
|
2 |
|
|
н |
|
|
S |
|
|
X |
|
|
о |
|
|
S |
|
|
§ |
|
|
X |
|
|
с |
|
|
и |
|
% |
|
|
вес. |
о |
|
прпм есей, |
||
S |
||
|
||
и |
|
|
элементов |
2 |
|
|
||
легирую щ их |
со |
|
Содерж ание |
||
|
||
|
S |
О
S
«0
н
а
«j
а.
со
S
|
|
> |
|
|
|
< |
3 |
> |
> |
|
|
|
|
|
СJ |
||||
|
|
о |
|
|
|
|
ю |
ю |
ю |
|
|
|
|
|
|
|
со |
со |
|
1 |
1 |
о |
1 |
1 |
1 |
|
со |
о |
о |
1 |
|
о |
ю |
1 |
|||||
|
|
ю |
|
|
|
_ |
ф |
ІЛ |
|
|
|
00 |
|
|
|
см |
см |
||
|
|
о |
|
|
|
|
о |
о |
о |
|
|
СМ |
|
|
со |
ю |
СП |
о |
о |
|
|
|
|
со |
|||||
1 |
1 |
— |
I |
см |
о |
т—< о |
со |
со |
|
|
о |
|
|
|
|
1 |
|||
1 |
1 |
сп |
1 |
ф |
LO |
со |
ю |
1 |
|
|
|
|
V |
о |
|||||
|
|
о |
|
о" |
со |
|
см |
см |
|
|
|
|
|
*• о |
|||||
|
LO |
ю |
со |
|
со |
LO |
|
оо |
со |
|
ю |
со |
|
см |
|
||||
1 |
о |
о |
о |
1 |
о |
о |
1 |
о |
о |
|
|
|
1 |
1 |
1 |
1 |
|||
1 |
о |
ш |
ф |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
ф |
ю |
|
со |
со |
|||
|
Ф |
см |
о |
|
о |
_■ |
|
о |
о |
|
|
- |
|
||||||
|
о |
о |
|
|
|
о |
|
|
|
|
со |
|
|
ю |
со |
см |
со |
ф |
ф |
|
ф* со |
|
см |
о |
|||||
1 |
1 |
о |
1 |
о |
о |
о |
1 |
о |
о |
|
о |
|
|
V |
V |
V |
ю |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
LO |
г- |
г- |
о |
г- |
о |
со |
со |
со |
со |
со |
со |
||
О |
о |
о’ о |
о |
о |
о |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
г- |
г- |
ю |
t"- ю |
|
|
*—* •—< |
|
|
*—11 |
—■ |
|
|
О |
о |
о" |
о |
о |
о |
о |
о |
|
|
|
ю |
Г-- со |
|
_, о |
|
со |
||||
1 |
- |
о" о" о |
||||
I |
1 |
1 |
1 |
1 |
||
|
1 |
ф |
г-« |
ю |
ф |
со |
|
оо |
|
||||
о |
о |
о |
|
со |
о |
о |
|
|
|
|
о |
|
|
г- «-Ц со СО
—о о
11 1
00с- с-
-•—• о о"
00 |
со |
со |
о" |
о |
о |
1 |
1 |
1 |
1 |
со |
со |
ю |
||
о |
о |
о |
со |
00 ю |
ф |
со СМ |
г- |
см |
см |
— |
см |
ф |
см |
о |
о |
о |
со |
о |
о |
о |
|
о |
о" |
1 |
1 |
1 |
о |
1 |
1 |
1 |
о |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|||
00 |
со |
СО |
V |
г-. СП |
ю |
V |
см |
— |
|
о |
|
о |
о" |
о |
со |
см |
|||
о |
о |
|
о” |
о |
|
о |
о |
|
й |
© |
со |
о |
< |
fc* |
,, |
см |
|
£ |
см |
я |
к |
||||
X |
Е |
X |
о |
J9 X |
. 55 |
и |
и |
ö |
и, |
<3 |
то |
X |
X |
н |
н, |
||
СМ |
со |
СМ |
гь? СМ |
оо |
о |
оо |
00 |
|
см |
|
*—« 00 |
о |
со |
|
ф |
ф |
288 |
Г л . 9. Материалы ядерны х установок |
|
щение |
аустенита с |
выделением феррита. Аустенит — структур |
ная составляющая, |
представляющая собой твердый раствор |
углерода в у-железе. у-Железо кристаллизуется в гранецентрп рованной кубической решетке. Феррит — структурная состав ляющая, представляющая собой a-железо, которое в незначи
тельном |
количестве |
растворяет |
углерод. сс-Железо |
крнсталлн- |
||||||||
1 0 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
> > |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
і |
|
|
|
ф чррит |
JЧустенum |
|
|
|
|
|
||||
910° 6 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
900 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Йуатенит+ цементит |
||||
m |
{Йустенитт |
|
|
|
|
|
|
{втооичныи) |
||||
|
|
, 6 |
|
|
|
|
! |
|
||||
|
\ р |
феррит |
— |
|
723° |
|
|
|
|
|||
|
_____1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
700 А1 |
Феррит+перпип |
|
|
Перлит- ■ цеме mum : |
|
|||||||
|
^ |
Феррит + цеме/тит |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
(тоетічныи} |
|
______ |
|
|
|
||||
|
|
0,2 |
0,4 |
0 ,6 |
|
0,8 |
1,0 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
2 ,0 |
|
|
|
|
|
Содержание С, вес. % |
|
|
|
|
|||
Рис. |
9.1. |
«Стальной» |
участок |
диаграммы |
железо — углерод. |
зуется в объемноцентрированной кубической решетке. В области GSP структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и аустенита. При температуре 723° (горизонталь РК) протекает эвтектоидная реакция:
Аустенит Феррит + Цементит. |
|
|
Продуктом превращения |
является эвтектоидная |
смесь феррита |
и цементита — перлит. |
После окончательного |
превращения |
структура стали будет состоять из феррита и перлита. Такую
структуру перлитные |
стали с содержанием |
углерода <0,8% |
имеют после отжига. |
|
|
Отжиг — фазовая |
перекристаллизация, |
заключающаяся в |
нагреве выше температуры Ас3 (см. рис. 9.1) с последующим медленным охлаждением. Перлитные стали обычно применяют в нормализованном состоянии. Нормализация представляет собой разновидность отжига. При нормализации охлаждение производят на воздухе, что обеспечивает несколько более высо кую скорость охлаждения, чем при обычном отжиге. При быстром охлаждении от температуры выше критической точки Асг происходит закалка, С увеличением скорости охлаждения